20754

۲۰۷۵۴

بررسي خواص مكانيكي و فيزيكي سيمان تقويت شده با نانوذرات مگنتيت و نانوكامپوزيت گرافن- مگنتيت

ﮐﺎرﺷﻨﺎﺳﯽ ارﺷﺪ

نانومواد (نانوفناوري)

1395

۱۳۹۸/۲/۱۸

دكتر ميثم جلالي - دكتر صادق صادق زاده

دكتر اصغر حبيب نژاد كورايم

فناوري هاي نوين

اگرچه سيمان داراي خواص عالي و عملكرد بالا است ولي شكنندگي ذاتي آن يك ضعف است. اخيرا افزودن نانوذرات به مواد پايه سيماني به علت سطح ويژه بالا و توانايي تغيير در ساختار توجه زيادي را به خود جلب كرده است. در اين تحقيق ابتدا اثر افزودن اندازه‌هاي مختلف نانوذرات مگنتيت (Fe3O4) بر ويژگي‌هاي استحكامي و فيزيكي سيمان پرتلند معمولي (OPC) مورد مطالعه قرار گرفت. خمير سيمان با نسبت آب به سيمان برابر 0.5 تهيه شد. براي بررسي تاثير اندازه ذرات مگنتيت، چهار نوع Fe3O4 با اندازه ذرات مختلف ( nm40-20، nm 100-80،nm 300-250 و mμ 2-1) با مقدار ثابتwt.% 0.2 به خمير سيمان اضافه شد. خمير سيمان مخلوط شده با مگنتيت براي استحكام فشاري، استحكام خمشي، كشش غير مستقيم، آناليز XRD و تصاوير SEM مورد بررسي قرار گرفت. نتايج استحكام مكانيكي نشان داد كه خمير سيمان سخت شده حاوي نانوذرات مگنتيت با اندازه nm 40-20 داراي مقادير استحكام فشاري، خمشي و كششي بالاتر نسبت به ساير نمونه‌ها در تمام سنين هيدراتاسيون بود. همچنين اين نمونه بهترين نتايج در آزمون‌هاي تخلخل سنجي، سرعت امواج التراسونيك، جذب آب مويينه و مقاومت الكتريكي را نشان داد. به همين علت نانوذرات nm 40-20 به عنوان افزودني بهينه انتخاب شد. در ادامه به منظور بررسي اثر مقدار نانوذرات افزودني، ذرات مگنتيت با ابعاد بهينه در مقادير مختلف 0.1، 0.15، 0.2، 0.25، 0.3، 0.35 درصد وزني سيمان اضافه شدند. مشخص شد كه نمونه حاوي نانوذرات Fe3O4 به ميزان wt.% 0.25 در تمامي خواص بهترين نتايج را بروز داد. افزودن wt.% 0.25 نانوذرات مگنتيت nm 40-20 به خمير سيمان در سن 7 روز سبب افزايش 32، 25 و 19 درصد به ترتيب در استحكام فشاري، خمشي و كششي شد. همچنين تخلخل و جذب آب ثانويه در سن 7 روز به ترتيب 19 و 11 درصد كاهش نشان دادند. در مرحله سوم پژوهش، افزودني اكسيد گرافن به نمونه بهينه حاوي مگنتيت اضافه شد تا اثر تقويت كنندگي نانوكامپوزيت هيبريدي Fe3O4-GO بر خواص سيمان ارزيابي شود. مشخص شد اضافه كردن نانوكامپوزيت اكسيد گرافن- مگنتيت به خمير سيمان با افزايش زبري سطح و بهبود پراكندگي، خواص آن را حتي در مقايسه با افزودني نانوذرات مگنتيت تقريبا در تمام سنين هيدراتاسيون به طور چشمگيري بهبود بخشيد. بهينه مقدار نانوكامپوزيت Fe3O4-GO (0.05 درصد وزني اكسيد گرافن) در سن 7 روز سبب افزايش 53، 93 و 85 درصد به ترتيب در استحكام فشاري، خمشي و كششي شد. علاوه بر اين تخلخل و جذب آب ثانويه در سن 7 روز به ميزان 31 و 44 درصد كاهش يافت. بررسي‌هاي ميكروسكوپي گواه آن بودند كه نانوكامپوزيت اكسيد گرافن- مگنتيت با ايجاد ساختاري بسيار متراكم و به هم پيوسته باعث انحراف ترك‌ها شد و زوال ترك را بهبود ‌بخشيد.

1398/04/09

Investigation of mechanical and physical properties of cement reinforced with magnetite nanoparticle and graphene-magnetite nanocomposite

5/8/2019 12:00:00 AM

Although cement has excellent properties and high performance, but inherent brittleness is a major drawback. Recently, adding nanoparticles to cement-based materials due to their high surface area and the ability to change the cement microstructure has attracted much attention. In this research, the effect of adding different sizes of magnetite nanoparticles on the mechanical and physical properties of the ordinary Portland cement (OPC) was initially studied.Cement paste with a water to cement ratio of 0.5 was prepared. To study the effect of the size of the magnetite particles, different cement samples containing 0.2 wt.% Fe3O4 additives with four different particle sizes (20-40 nm, 80-100 nm, 250-300 nm and 2-1 μm) were fabricated. Cement paste mixed with magnetite for compressive strength, flexural strength, indirect tensile strength, XRD analysis and SEM images were evaluated. The results of mechanical strength showed that hardened cement paste containing magnetite nanoparticles with the size of 20-40 nm exhibited higher compressive strength, flexural strength and tensile strength compared to the other samples for all ages of hydration. This sample also had the best results in porosity, ultrasonic pulse velocity, water sorptivity and electrical resistivity. Therefore, magnetite nanoparticles of 20-40 nm were selected as the optimum additive. In order to investigate the effect of the amount of this type of nanoparticles, magnetite nanoparticles were added at different amounts of 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, and 0.35% by weight of cement. It was found that the sample containing 0.25 wt.% Fe3O4 nanoparticles revealed the best results in all properties. The addition of 0.25 wt.% of magnetite nanoparticles of 20-40 nm to cement paste at the age of 7 days increased compressive strength, flexural strength and tensile strength by 32, 25 and 19%, respectively. In addition, porosity and secondary water absorption decreased by 19% and 11%, respectively, at the age of 7 days. In the third satge of the project, hybrid nanocomposite of Fe3O4-GO was used to reinforce the cement paste. Adding graphene-magnetite oxide nanocomposite to cement paste improved the mechanical and physical properties of the neat cement and Fe3O4-reinforced cement due to increasing surface roughness og GO and better dispersion of additive nanoparticles. The optimum amount of Fe3O4-GO (0.05 wt.% GO, 0.25 wt.% Fe3O4) nanocomposite at the age of 7 days increased the compressive, flexural and tensile strengths by 53, 93 and 85 %, respectively. Furthermore, porosity and secondary sorptivity decreased by 31% and 44% at the age of 7 days. Microsturctural studies showed that graphene oxide-magnetite nanocomposite, by creating a very dense and interconnected structure, caused distortion of cracks and improved crack annihilation.